一种光频梳载波包络相移频率自锁定装置及方法

技术领域

本发明涉及光学计量技术领域，具体涉及一种光频梳载波包络相移频率自锁定装置及方法。

背景技术

飞秒光学频率梳作为20世纪最伟大的发明之一，将超快光学和精密光谱学完美结合，可解决激光雷达、卫星导航系统、火箭发动机等的波长标定、时间频率传递、高温参数测量与溯源等难题，在精密测量领域具有重要应用前景。

光频梳是一种特殊的飞秒激光器，它实现了飞秒激光器两个核心参数的锁定，这两个核心参数分别是载波包络相移频率以及重复频率；飞秒激光器的产生离不开谐振腔中纵模的锁定，而载波包络相移频率决定了锁模包络的起始频率点，重复频率则决定了锁模包络中每根频率梳齿之间的间隔；当载波包络相移频率与重复频率都实现了锁定后，飞秒激光器便可以输出稳定的脉冲激光。

想要实现光频梳的载波包络相移频率的锁定需要先对其进行探测；一般来说，载波包络相移频率可以通过基频-倍频自参考法(f-2f)产生。在f-2f系统中，光频梳首先分出一路通过PPLN晶体实现倍频，另一路则维持，两路在干涉后通过带通滤波器，再经由光电探测器即可提取出具有载波包络相移频率值的电信号。之后通过反馈锁定电路系统即可将该电信号锁定至微波频率。

但是在光频梳使用时，光频梳的启动首先需要实现振荡器的锁模，然后调节载波包络相移频率的大小令其处于预设的带通滤波器通带中，再通过放大器产生符合锁定电路幅值要求的信号。此外，锁模状态受泵浦源输出电流影响，而载波包络相移频率的锁定其实质又是反馈调节泵浦源的输出电流大小，因此在锁定过程中需要避免载波包络相移频率锁定引起振荡器的失锁或者超出泵浦源的输出阈值；同时，电流对载波包络相移频率的影响偏大，0.1A的电流可以产生大几十MHz的载波包络相移频率飘移，而带通滤波器的通带范围有限，一般只有10MHz，因此需要对泵浦输出电流进行微调以满足电路需求。因此在实际操作过程中，操作人员需要反复调节泵浦源电流输出值并保持观察光谱仪确认振荡器锁模状态以及观察频谱仪确认载波包络相移频率的位置，致使整个光频梳的启动过程较为繁复，不利于非专业人士使用相关产品，亟需研究相关操作的智能化、简易化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光频梳载波包络相移频率自锁定装置及方法，能够解决光频梳系统中载波包络相移频率锁定步骤繁琐、不利于产品化推广的问题，提高光频梳系统的智能化和通用化水平。

本发明采用的具体技术方案如下:

一种光频梳载波包络相移频率自锁定装置，包括：光梳系统、锁模监测电路和载波包络相移频率锁定电路，其中，

锁模监测电路的一端连接所述光梳系统的振荡器的一端，另一端连接所述光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生重复频率监测信号以判断振荡器是否进入锁模状态；

载波包络相移频率锁定电路的一端连接所述光梳系统的振荡器的一端，另一端连接所述光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生载波包络相移频率监测信号以调控所述光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定。

进一步地，所述锁模监测电路包括：锁模监测模块、第一光电探测器和第一带通滤波器，其中，

所述锁模监测模块对来自振荡器的激光信号进行初步处理并传输至所述第一光电探测器；

所述第一光电探测器将初步处理之后的所述激光信号转换成第一模拟电信号；

所述第一带通滤波器对所述第一模拟电信号进行滤波处理获得重复频率监测信号，并将所述重复频率监测信号发送至所述反馈调节电路。

进一步地，载波包络相移频率锁定电路包括：基频-倍频自参考系统、第二光电探测器和第三带通滤波器，其中，

所述基频-倍频自参考系统对来自振荡器的激光信号进行初步处理并传输至所述第二光电探测器；

所述第二光电探测器将初步处理之后的所述激光信号转换成第二模拟电信号；

所述第二带通滤波器对所述第二模拟电信号进行滤波处理获得载波包络相移频率监测信号，并将所述载波包络相移频率监测信号发送至所述反馈调节电路。

进一步地，所述光梳系统包括依次连接的信号源、所述反馈调节电路、所述泵浦源和所述振荡器，其中，

所述信号源将重复频率参考信号和载波包络相移频率参考信号发送至所述反馈调节电路；

所述反馈调节电路对所述重复频率参考信号和重复频率监测信号进行混频获得第一混频信号，所述第一混频信号经过信号处理转换成第一数字电信号，根据所述第一数字电信号判断所述振荡器是否处于锁模状态；

所述反馈调节电路对所述载波包络相移频率参考信号和载波包络相移频率监测信号进行混频获得第二混频信号，所述第二混频信号经过信号处理转换成第二数字电信号，根据所述第二数字电信号判断判断是否实现载波包络相移频率锁定。

一种光频梳载波包络相移频率自锁定方法，采用上述的装置，包括：

通过所述锁模监测电路产生重复频率监测信号以判断所述光梳系统的振荡器是否进入锁模状态；

锁模之后，通过所述载波包络相移频率锁定电路产生载波包络相移频率监测信号以调控所述光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定。

进一步地，所述通过所述锁模监测电路产生重复频率监测信号以判断所述光梳系统的振荡器是否进入锁模状态，包括：

所述锁模监测电路产生重复频率监测信号，并将所述重复频率监测信号发送至所述反馈调节电路；

所述反馈调节电路接收来自所述光梳系统的信号源的重复频率参考信号；

所述反馈调节电路对所述重复频率参考信号和重复频率监测信号进行混频获得第一混频信号，所述第一混频信号经过信号处理转换成第一数字电信号，根据所述第一数字电信号判断所述振荡器是否处于锁模状态。

进一步地，所述根据所述第一数字电信号判断所述振荡器是否处于锁模状态，包括：

若所述第一数字电信号处于临界于零点状态，判定所述振荡器处于锁模状态；若所述第一数字电信号不处于临界于零点状态，判定若所述振荡器未实现锁模，调节增大所述光梳系统的泵浦源的输出功率，直至所述振荡器处于锁模状态。

进一步地，所述通过所述载波包络相移频率锁定电路产生载波包络相移频率监测信号以调控所述光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定，包括：

所述载波包络相移频率锁定电路产生载波包络相移频率监测信号，并将所述载波包络相移频率监测信号发送至所述反馈调节电路；

所述反馈调节电路接收来自所述光梳系统的信号源的载波包络相移频率参考信号；

所述反馈调节电路对所述载波包络相移频率参考信号和载波包络相移频率监测信号进行混频获得第二混频信号，所述第二混频信号经过信号处理转换成第二数字电信号，根据所述第二数字电信号判断判断是否实现载波包络相移频率锁定。

进一步地，所述根据所述第二数字电信号判断判断是否实现载波包络相移频率锁定，包括：

若所述第二数字电信号等于0，判定实现载波包络相移频率锁定；若所述第二数字电信号不等于0，判定没有实现载波包络相移频率锁定，所述第二数字电信号经过所述反馈调节电路的PID锁定运算获得运算信号，并将所述运算信号反馈至所述光梳系统的泵浦源，调整所述泵浦源的控制电流，进而改变载波包络相移频率的大小，直至实现载波包络相移频率锁定。

进一步地，在所述通过所述载波包络相移频率锁定电路产生载波包络相移频率监测信号以调控所述光梳系统的泵浦源的控制电流之前，所述方法还包括：

调整所述光梳系统的泵浦源的输出功率为所述泵浦源最大输出功率的90％。

有益效果：

(1)一种光频梳载波包络相移频率自锁定装置，包括：光梳系统、锁模监测电路和载波包络相移频率锁定电路，其中，锁模监测电路的一端连接光梳系统的振荡器的一端，另一端连接光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生重复频率监测信号以判断振荡器是否进入锁模状态；载波包络相移频率锁定电路的一端连接光梳系统的振荡器的一端，另一端连接光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生载波包络相移频率监测信号以调控光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定。解决了光频梳系统中载波包络相移频率锁定步骤繁琐、不利于产品化推广的问题，提高光频梳系统的智能化和通用化水平。

(2)通过信号处理与反馈进行锁模监测和载波包络相移频率锁定监测，根据信号反馈结果及时调整泵浦源的输出功率或者控制电流，无需操作人员随时查看光频谱仪的输出显示，可以实现载波包络相移频率自动锁定，提高了锁定销率。

(3)先调整光梳系统的泵浦源的输出功率为泵浦源最大输出功率的90％，再进行载波包络相移频率监测和调整，降低了在载波包络相移频率锁定过程中，因为对泵浦源调整过大导致振荡器失锁发生的概率，避免了因为振荡器失锁需要重新锁模的繁琐操作，进一步提高了载波包络相移频率的锁定效率。

附图说明

图1是本发明实施例的光频梳载波包络相移频率自锁定装置的结构框图。

具体实施方式

本发明提供了一种光频梳载波包络相移频率自锁定装置及方法，包括：光梳系统、锁模监测电路和载波包络相移频率锁定电路，其中，锁模监测电路的一端连接光梳系统的振荡器的一端，另一端连接光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生重复频率监测信号以判断振荡器是否进入锁模状态；载波包络相移频率锁定电路的一端连接光梳系统的振荡器的一端，另一端连接光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生载波包络相移频率监测信号以调控光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定。解决了光频梳系统中载波包络相移频率锁定步骤繁琐、不利于产品化推广的问题，提高光频梳系统的智能化和通用化水平。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。在本发明的实施例，为了区分各元器件或者各信号，采用了“第一”、“第二”等的描述，仅用来通过序号区分相同元器件或者信号的数量，不是具体地实质性限定。

光频梳是一种特殊的飞秒激光器，它实现了飞秒激光器两个核心参数的锁定，这两个核心参数分别是载波包络相移频率以及重复频率；飞秒激光器的产生离不开谐振腔中纵模的锁定，而载波包络相移频率决定了锁模包络的起始频率点，重复频率则决定了锁模包络中每根频率梳齿之间的间隔；当载波包络相移频率与重复频率都实现了锁定后，飞秒激光器便可以输出稳定的脉冲激光，即飞秒光学频率梳，光频梳的一般表达式如下所示：

f

式中，N为光频梳梳齿的编号，f

本发明实施例提供了一种光频梳载波包络相移频率自锁定装置，包括：梳系统、锁模监测电路和载波包络相移频率锁定电路，其中，

锁模监测电路的一端连接光梳系统的振荡器的一端，另一端连接光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生重复频率监测信号以判断振荡器是否进入锁模状态；

载波包络相移频率锁定电路的一端连接光梳系统的振荡器的一端，另一端连接光梳系统的反馈调节电路，用于通过产生载波包络相移频率监测信号以调控光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定。

在一具体实施例中，锁模监测电路包括：锁模监测模块、第一光电探测器和第一带通滤波器，其中，锁模监测模块对来自振荡器的激光信号进行初步处理并传输至第一光电探测器；第一光电探测器将初步处理之后的激光信号转换成第一模拟电信号；第一带通滤波器对第一模拟电信号进行滤波处理获得重复频率监测信号，并将重复频率监测信号发送至反馈调节电路。

在一具体实施例中，载波包络相移频率锁定电路包括：基频-倍频自参考系统、第二光电探测器和第三带通滤波器，其中，基频-倍频自参考系统对来自振荡器的激光信号进行初步处理并传输至第二光电探测器；第二光电探测器将初步处理之后的激光信号转换成第二模拟电信号；第二带通滤波器对第二模拟电信号进行滤波处理获得载波包络相移频率监测信号，并将载波包络相移频率监测信号发送至反馈调节电路。

在一具体实施例中，光梳系统包括依次连接的信号源、反馈调节电路、泵浦源和振荡器，其中，信号源将重复频率参考信号和载波包络相移频率参考信号发送至反馈调节电路；反馈调节电路对重复频率参考信号和重复频率监测信号进行混频获得第一混频信号，第一混频信号经过信号处理转换成第一数字电信号，根据第一数字电信号判断振荡器是否处于锁模状态；反馈调节电路对载波包络相移频率参考信号和载波包络相移频率监测信号进行混频获得第二混频信号，第二混频信号经过信号处理转换成第二数字电信号，根据第二数字电信号判断判断是否实现载波包络相移频率锁定。

在本发明的实施例中，还提供了一种光频梳载波包络相移频率自锁定方法，采用上述实施例中的装置实现，包括：

步骤一、通过锁模监测电路产生重复频率监测信号以判断光梳系统的振荡器是否进入锁模状态；

在一具体实施例中，通过锁模监测电路产生重复频率监测信号以判断光梳系统的振荡器是否进入锁模状态，包括：

锁模监测电路产生重复频率监测信号，并将重复频率监测信号发送至反馈调节电路；

反馈调节电路接收来自光梳系统的信号源的重复频率参考信号；

反馈调节电路对重复频率参考信号和重复频率监测信号进行混频获得第一混频信号，第一混频信号经过信号处理转换成第一数字电信号，根据第一数字电信号判断振荡器是否处于锁模状态。

在一具体实施例中，根据第一数字电信号判断振荡器是否处于锁模状态，包括：若第一数字电信号处于临界于零点状态，判定振荡器处于锁模状态；若第一数字电信号不处于临界于零点状态，判定若振荡器未实现锁模，调节增大光梳系统的泵浦源的输出功率，直至振荡器处于锁模状态。

步骤二、锁模之后，调整光梳系统的泵浦源的输出功率为泵浦源最大输出功率的90％；

步骤三、锁模之后，通过载波包络相移频率锁定电路产生载波包络相移频率监测信号以调控光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定。

在一具体实施例中，通过载波包络相移频率锁定电路产生载波包络相移频率监测信号以调控光梳系统的泵浦源的控制电流，实现载波包络相移频率锁定，包括：载波包络相移频率锁定电路产生载波包络相移频率监测信号，并将载波包络相移频率监测信号发送至反馈调节电路；反馈调节电路接收来自光梳系统的信号源的载波包络相移频率参考信号；反馈调节电路对载波包络相移频率参考信号和载波包络相移频率监测信号进行混频获得第二混频信号，第二混频信号经过信号处理转换成第二数字电信号，根据第二数字电信号判断判断是否实现载波包络相移频率锁定。

在一具体实施例中，根据第二数字电信号判断判断是否实现载波包络相移频率锁定，包括：若第二数字电信号等于0，判定实现载波包络相移频率锁定；若第二数字电信号不等于0，判定没有实现载波包络相移频率锁定，第二数字电信号经过反馈调节电路的PID锁定运算获得运算信号，并将运算信号反馈至光梳系统的泵浦源，调整泵浦源的控制电流，进而改变载波包络相移频率的大小，直至实现载波包络相移频率锁定。

图1是本发明实施例的光频梳载波包络相移频率自锁定装置的结构框图，如图1所示，包括：光梳系统，锁模监测电路和载波包络相移频率锁定电路，其中，锁模监测电路包括锁模监测模块(即图1中的锁模监测)和光电探测器(即上述实施例中的第一光电探测器)以及其他用于信号处理的元器件如(第一带通滤波器等)；载波包络相移频率锁定电路包括基频-倍频自参考系统(即图1中的f-2f系统)和光电探测器(即上述实施例中的第二光电探测器)以及其他用于信号处理的元器件如(第三带通滤波器等)。

本发明实施例中，实现锁模和载波包络相移频率锁定的过程如下：

光梳系统的泵浦源输出激光信号至振荡器，振荡器的一端连接至锁模监测电路，锁模监测电路的第一光电探测器将激光信号转换成第一模拟电信号，第一模拟电信号经过第一带通滤波器产生重复频率监测信号，重复频率监测信号与光梳系统的信号源产生的重复频率参考信号在光梳系统的反馈调节电路进行混频获得第一混频信号，第一混频信号经过第二带通滤波器处理之后获得重复频率误差监测信号，重复频率误差监测信号转换成第一数字电信号，根据第一数字电信号判断振荡器是否处于锁模状态；

其中，第一数字电信号处于0点附近时，可判定此时振荡器处于锁模状态，若未实现锁模，则调节增大泵浦源的输出功率。

实现锁模后，振荡器的另一端将激光信号输出至载波包络相移频率锁定电路，载波包络相移频率锁定电路的第二光电探测器将激光信号转换成第二模拟电信号，第二模拟电信号经过第三带通滤波器产生载波包络相移频率监测信号，载波包络相移频率监测信号与光梳系统的信号源产生的载波包络相移频率参考信号进行混频获得第二混频信号，第二混频信号经过第四带通滤波器处理之后获得载波包络相移频率误差监测信号，载波包络相移频率误差监测信号转换成第二数字电信号，根据第二数字电信号判断是否实现载波包络相移频率锁定；

其中，第二数字电信号等于0时，实现载波包络相移频率锁定；第二数字电信号通过反馈调节电路的PID锁定运算，获得运算信号反馈至泵浦源，控制泵浦源的输出电流，进而改变载波包络相移频率的大小，最终实现载波包络相移频率锁定。

本发明提供的一种光频梳载波包络相移频率自锁定方法，可有效简化光频梳系统的操作流程。具体实施方案描述如下，其中鉴于锁模部分和载波包络相移频率锁定部分分开描述，因此不再区分“第一”、“第二”。

光梳系统主要由泵浦源、振荡器、反馈调节电路与信号源构成。

光梳系统启动后，泵浦源将向振荡器提供激光输入，此时输入的激光会在振荡器中振荡，但此时输出非光频梳。

首先，振荡器的一路激光信号输出进行锁模监测。振荡器分出一路激光输出，通过光电探测器，将振荡器输出的光信号(即激光信号)转化为模拟电信号，该模拟电信号在经过带通滤波后将作为重复频率f

在反馈调节电路中，通过将振荡器输出的重复频率监测信号与信号源设定的参考信号进行比较，将所得的差频信号(即重复频率误差监测信号)转化为数字电信号。通过分析差频信号可以得出目前的锁模状态。得到锁模状态后，反馈调节电路将对泵浦源的输入电流(即控制电流)进行调整，调节泵浦源输出功率，进而调节振荡器内的激光状态，最终使得振荡器输出的重复频率监测信号与信号源设定的重复频率参考信号内实现锁模。

实现锁模后，反馈调节电路会比较泵浦源输出功率与其峰值功率之间的比率，对泵浦源输出功率进行微调，以尽量避免在之后的偏移频率锁定过程中由于功率的变化导致功率脱离锁模范围。

实现锁模后，振荡器输出激光信号的另一路则监测偏移频率f

当进行偏频锁定时，若振荡器失锁，反馈调节电路会终止偏移频率锁定过程，对此时差频信号进行判断，并重新调节偏移频率参考频率。通过多次迭代过程，最终实现在不丢失锁模状态的情况下实现f

根据图1所示的装置，本发明在具体实施过程中，将光梳系统中振荡器的输出光分为两路，一路用作锁模监测，另一路用于f

首先，启动反馈调节电路的锁模控制部分，f

在实现锁模后，比较此时泵浦输出功率与其峰值，进一步调节输出功率至峰值功率的90％。

当上述步骤完成后，维持锁模控制部分，启动f

当完成锁模后，通过将f

当进行偏移频率锁定时，如果电路对泵浦的调制过大，导致泵浦的输出电流低于振荡器锁模阈值，振荡器会脱离锁模状态，反馈调节电路会终止偏移频率f

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。